Antriebstechnik Wie die optimale Werkstoffkombination die Verlustleistung bei Zahnräder mindert

Gemeinsam suchen derzeit Kunststoff-Ingenieure der Handtmann Elteka, der Schwaben Präzision und der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) an der Technischen Universität München nach optimierten Lösungen für Verzahnungen bei Kunststoff-Stahl-Zahnradkombinationen.

Anbieter zum Thema

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

Baß Antriebstechnik GmbH

GWJ Technology GmbH

Albert Handtmann Elteka GmbH & Co. KG

Thermoplastische Kunststoffe sind in Getrieben seit mehr als vierzig Jahre im Einsatz. Der Vorteil von Verzahnungen aus Kunststoff liegt in der wirtschaftlicheren Fertigung, der geringeren Masse und Trägheit der Bauteile sowie der Möglichkeit des trocken laufenden Einsatzes. Nachteilig sind demgegenüber die im Vergleich zu Anwendungen aus Metall geringere Tragfähigkeit, der Wegfall eines sicheren Dauerfestigkeitsbereiches und niedrigere Temperaturgrenzen.

Optimierte Verzahnung erfordert geringere Verlustleistung

Durch die bei allen Zahnrädern auftretenden Verlustleistungen erhitzt sich der Werkstoff. Deshalb fällt eine Standardverzahnung aus Kunststoff aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit häufig durch thermisches Versagen (Aufschmelzen) aus, wobei Verlustleistung und Erwärmung bei Zahnradgetrieben in unmittelbarem Zusammenhang stehen. Um dieses Temperaturproblem zu umgehen, hat sich das Wissenschafts-Praxis-Team zum Ziel gesetzt, neue Verzahnungsgeometrien zu entwickeln, die verringerte Verlustleistungen aufweisen.

Durch die bei allen Zahnrädern auftretenden Verlustleistungen erhitzt sich der Werkstoff. Deshalb fällt eine Standardverzahnung aus Kunststoff aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit häufig durch thermisches Versagen (Aufschmelzen) aus, wobei Verlustleistung und Erwärmung bei Zahnradgetrieben in unmittelbarem Zusammenhang stehen. Um dieses Temperaturproblem zu umgehen, hat sich das Wissenschafts-Praxis-Team zum Ziel gesetzt, neue Verzahnungsgeometrien zu entwickeln, die verringerte Verlustleistungen aufweisen.

Zusammenhang zwischen Verzahnungsgeometrie und Verlustleistung

Für Leistungsgetriebe verwendet man nahezu ausschließlich die Paarung aus Kunststoff und Stahl. Eine Kunststoff-Kunststoff-Paarung würde zu leicht überhitzen, denn keines der Zahnräder verfügt über adäquate Wärmeleitungseigenschaften. In der Regel wird das höher belastete, kleinere Ritzel aus Stahl, das größere Rad aus Kunststoff gefertigt. Um ein Gleiten und damit den Leistungsverlust zu verringern müssen alternative Verzahnungen gefunden werden.

In der Theorie zeichnet sich eine verlustoptimierte Verzahnung im Vergleich zur herkömmlichen durch deutlich größeren Eingriffswinkel, verkürzte Verzahnung und Schrägverzahnung aus (Bild 2). Die an Stirnrädern auftretenden Verluste werden in lastabhängige und lastunabhängige Verluste aufgeteilt. Lastunabhängige Verluste sind Verlustanteile, die auftreten, wenn eine Zahnradstufe frei dreht; das bedeutet, dass keine Leistung am getriebenen Zahnrad abgenommen wird. Diese Leerlaufverluste sind im Wesentlichen von der erforderlichen Energie für die Zirkulation von Luft und Schmierstoff an den Verzahnungen abhängig. Die Verzahnungsgeometrie beeinflusst sie nur wenig. Gemessen an den Ge-samtverlusten einer Verzahnung ist der Anteil dieser Verluste im Bereich „normaler“ Um-fangsgeschwindigkeiten gering.

Weil die Werkstoffpaarung Kunststoff-Stahl bei Zahnradgetrieben in der Regel nicht für schnell laufende Anwendung eingesetzt wird, kommt bei dieser Paarung den lastabhängigen Verlusten (kurz: Lastverlusten) die maßgebliche Bedeutung zu.

Low-loss-Zahnräder erlauben erweiterten Einsatzbereich

In verschiedenen Vorversuchen wurden die Festigkeitswerte für Stirnradanwendungen hinsichtlich Zahnfußbruch und Flankentragfähigkeit für den von Handtmann Elteka entwickelten Kunststoff Lauramid bestimmt und in die Tragfähigkeitsberechnung für konventionelle Verzahnungsauslegungen nach DIN 3990 und VDI 2545 eingeführt. Auch für die Anwendung bei Schneckenrädern hat man die Tragfähigkeitsgrenzen von Lauramid bestimmt. Bei äquivalenter Tragfähigkeit zeigte die Low-loss-Auslegung einen um 60 Prozent geringeren Verlust als bei der konventionellen Verzahnungsauslegung (Bild 3).

Gleichzeitig war es bei gleichem Drehmoment möglich, bei der Low-loss-Verzahnung die Drehzahl auf das Doppelte der Standardverzahnung zu steigern, ehe die Verzahnungen durch Verschmelzungen ausfielen. Damit konnte das Potenzial für einen erweiterten Einsatzbereich von Kunststoffzahnrädern bei schnell laufenden Getrieben aufgezeigt werden. Selbstverständlich unter Beachten der Erwärmungsgrenzen.

Low-loss-Kunststoff-Zahnräder in Praxis-Einsätzen überprüfen

„Wir sind offen für interessierte Unternehmen, die in Ihren Anwendungen Low-Loss-Lösungen mit uns testen möchten“, so der Lauramid Verkaufsleiter Georg Petzinger. Im Rahmen des über drei Jahre laufenden Forschungsprojektes sollen die bisherigen An-sätze nun in der Praxis geprüft, verifiziert und verfeinert werden. Auch ein technisches Regelwerk mit Richtlinien und Normen für die Dimensionierung von Low-loss-Kunststoff-Zahnrädern ist zu entwickeln.

Zahnräder aus dem Spezial-Kunststoff finden sowohl in geschmierten als auch in trocken laufenden Applikationen Verwendung. Einige typische Einsatzgebiete für Kunststoffzahnräder sind die Druck- und Papierindustrie, Medizintechnik und die Lebensmittelverarbeitung.

Da Lauramid drucklos gegossen wird, vereinfacht sich auch die Maschinentechnik gegenüber Spritzgussanwendungen. Die Verzahnung wird wie bei Stahl-Zahnrädern spanend gefertigt. Doch es bestehen auch bei diesem Prozess wirtschaftliche Vorteile gegenüber Stahl-Zahnrädern, denn die übliche Wärmebehandlung entfällt. Erheblich größer ist die Standzeit der Werkzeuge, die Bearbeitungszeiten sind kürzer.

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